用于确定向东方向的设备和方法

用于确定向东方向的设备和方法
【专利摘要】在一个方面，提供了一种确定向东方向的方法，在一个实施例中，该方法包括：使物体在重力作用下掉落；确定物体掉落的位置；以及根据物体掉落的位置来确定向东方向。
【专利说明】用于确定向东方向的设备和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2011年10月14日提交的美国申请N0.13/273667的优先权，在此将该美国申请的全部内容通过引用并入本文。
【技术领域】
[0003]本发明总体涉及用于确定罗盘方向的设备和方法，特别地涉及用于确定井下罗盘方向的设备和方法。
【背景技术】
[0004]油井(也被称为井眼或钻孔)是用钻柱钻出的，所述钻柱包括具有钻井组件(也被称为底部钻具组合或“BHA”)的管状构件(也被称为钻管)，所述钻井组件包括附接到其底端部的钻头。使钻头转动以破碎岩层而钻出井眼以及从而实现钻孔的完井。BHA和管状构件包括用于提供关于各种参数的信息的装置和传感器，所述各种参数涉及钻井作业(钻井参数)、BHA的性能(BHA参数)以及环绕正在钻出的井眼的地层(地层参数)。这些装置和传感器使用电力来执行这些测量。目前钻出的大量井眼是斜井眼和水平井眼。用于钻出这些井眼的BHA通常包括构造成使BHA转向以钻出斜井眼区段/水平井眼区段的一个或多个装置。BHA包括提供参照位置的一个或多个装置，控制器或处理器利用所述参照位置来使BHA转向。
[0005]本发明在此提供一种用于确定向东方向的设备，可利用所述设备执行井下作业，包括使BHA沿着选定方向转向。

【发明内容】

[0006]在一个方面，提供了一种确定罗盘方向的方法，在一个实施例，所述方法包括:允许至少一个物体在重力作用下移动；确定所述至少一个物体在其移动期间的位置；以及根据所述至少一个物体在其移动期间的位置以及根据另一个位置来确定罗盘方向。
[0007]在另一个方面，提供了一种用于确定罗盘方向的设备，在一个实施例，所述设备包括:源，所述源构造成使物体在重力作用下掉落；一装置，所述装置构造成接收掉落的物体，并且提供对应于物体掉落在所述装置上的位置的信号；和处理器，所述处理器构造成利用物体掉落在所述装置上的位置来确定罗盘方向。可替代地，所述设备可以使用浸于一流体中的物体，所述流体的质量密度大于物体的质量密度，以使得物体在释放时在重力作用下上升，并略微向铅垂线以西移动。
[0008]在此所公开的设备和方法的某些特征的例子被概述得相当宽泛，以使得可以更好地理解下述的详细说明。当然，存在下文所公开的设备和方法的附加特征，它们形成了权利要求的主题。
【专利附图】

【附图说明】[0009]在此，参照附图最好地理解本公开内容，在附图中，相同的附图标记通常被指定给相同的元件，并且在附图中:
[0010]图1是钻井系统的正视图，所述钻井系统包括用于在钻井期间确定钻柱的方向的
装置；
[0011]图2是依照本公开内容的一个实施例制成的一种用于确定方向的装置的线图；
[0012]图3示出了利用本公开内容的示例性方法来确定罗盘指针定向的原理；和
[0013]图4显示了用于确定罗盘方向的可替代设备。该可替代设备包括阿特伍德机(Atwood machine),该阿特伍德机包括具有第一质量的第一物体和具有第二质量的第二物体，所述第一物体和第二物体通过悬挂在滑轮上的绳子或缆绳连接起来。
【具体实施方式】
[0014]图1是示例性钻井系统100的示意图,所述钻井系统100包括钻柱120,所述钻柱120具有附接到其底端部的钻井组件。钻柱120包括在钻孔126中输送的钻井组件或底部钻具组合(“BHA”)190。钻井系统100包括耸立在平台或钻台112上的传统井架111，所述平台或钻台支撑转台114，所述转台114由诸如电动机(未显示)的原动机以期望的转速转动。生产管(例如相联的钻杆)122从地面延伸到钻孔126的底部151，所述生产管具有附接到其底端部的钻井组件190。附接到钻井组件190的钻头150在被转动以钻出钻孔126时使地质地层破碎。钻柱120经由方钻杆接头(Kelly joint) 121、转环(swivel) 128和通过滑轮的线缆129联接到绞车130。绞车130运行以控制钻压(“W0B”)。钻柱120可以由顶部驱动器114a转动，而不是由原动机和转台114转动。
[0015]在一方面，来自诸如泥浆池的钻井流体源132的适合的钻井流体131 (也被称为“泥浆”)在压力下由泥浆泵134循环通过钻柱120。钻井流体131从泥浆泵134经由波动消除器136和流体管路138流入钻柱120中。钻井流体131a通过钻头150中的开口在钻孔底部151从钻管中排出。返回的钻井流体131b通过钻柱120与钻孔126之间的环形空间127循环到井口，并经由回流管路135和钻屑筛185返回到泥浆池132，钻屑筛185将钻屑186从返回的钻井流体131b中移除。流体管路138中的传感器S1提供关于流体流量的信息。与钻柱120相关联的地面扭矩传感器S2和传感器S3分别提供关于钻柱120的扭矩和转动速度的信息。钻柱120的进尺速度可以由传感器S5确定，而传感器S6可以提供钻柱120的大钩载荷。
[0016]在某些应用中，通过使钻杆122转动而使钻头150转动。但是，在其它应用中，设置在钻井组件190中的井下马达155 (泥浆马达)可以使钻头150单独地转动或者除了随钻柱转动之外另外地转动。
[0017]地面控制单元或控制器140经由放置在流体管路138中的传感器143接收来自井下传感器和装置的信号，以及接收来自在系统100中使用的传感器S1-S6及其它传感器的信号，并且根据由地面控制单元140的程序提供的程序指令来处理这些信号。地面控制单元140将期望的钻井参数及其它信息显示在显示器/监视器141上，操作员使用所述显示器/监视器141来控制钻井作业。地面控制单元140可以是基于计算机的单元，该基于计算机的单元可以包括处理器142 (诸如微处理器)、存储装置144 (诸如固态存储器、磁带或硬盘)以及存储装置144中的一个或多个计算机程序146，处理器142可访问所述计算机程序146，用于执行包含在程序中的指令。地面控制单元140还可以与远程控制单元148通信。地面控制单元140可以处理与钻井作业有关的数据、来自地面的传感器和装置的数据以及来自井下装置的数据，并且可以控制井下装置和地面装置的一个或多个作业。
[0018]钻井组件190还可以包括地层评价传感器或装置(也被称为随钻测量(“MWD”)传感器、或随钻测井(“LWD”)传感器)，所述地层评价传感器或装置用于确定:流体或地层的阻力、密度、孔隙度、渗透率、声学性质、核磁共振性质、腐蚀性；盐或盐分含量；以及钻井组件190周围的地层195的其它选定性质。这样的传感器在本领域中通常是已知的，为了方便起见，在此共同地用附图标记165表示。钻井组件190还可以包括各种其它传感器和通信装置159，所述各种其它传感器和通信装置用于控制和/或确定钻井组件的一种或多种功能和性能(诸如速度、振动、弯矩、加速度、振荡、涡旋、粘着滑动等)以及钻井操作参数(诸如钻压、流体流速、压力、温度、进尺速度、方位角、工具面、钻头转动等)。
[0019]仍然参照图1，钻柱120还包括能量转换装置160和178。在一方面，能量转换装置178位于BHA190中，用以向传感器165和/或通信装置159提供电力或能量(诸如电流)。能量转换装置178位于钻柱120的管中，其中该能量转换装置向井下传感器和装置提供电能。如所描绘的，能量转换装置。钻井组件还包括具有转向构件(也被称为施力构件)160a、160b、160c的转向装置160，转向构件160a、160b、160c可构造成独立地将力施加在钻孔126上，以使钻头沿着任一特定方向转向。钻井组件还包括用于确定井下向东方向的装置180，然后利用信息来确定钻井组件190或钻头150的定向。底部钻具组合190还包括用于利用在此所公开的方法来确定罗盘方向的方向传感器180。所确定的罗盘方向可用于确定钻井组件的方向，由此作为转向单元的输入。所以，利用由在此所公开的方法确定的罗盘方向，可使钻井组件转向。在许多方面，通过利用转向装置160，由此利用该信息来使得钻井组件190或钻头150单独地沿着选定方向转向。参照图2-4描述装置180的细节。
[0020]图2显示了依照本公来内容的一个实施例制成的用于确定罗盘方向的示例性设备180的详细视图。设备180包括支撑确定罗盘方向的结构210的万向架平衡式外壳(gimbaled enclosure) 200。该万向架平衡式外壳200联接至一摇摆浮子202,该摇摆浮子202使结构200沿着铅垂线方向(“铅垂线”)定向，正如下面参照图3所论述的。在一个实施例中，摇摆浮子202为中空的摇摆浮子，该中空的摇摆浮子填充有粘性流体和内部障碍物，以便阻尼由于振动引起的瞬时运动，并使得该结构在移动之后更快地静止下来。结构210包括附接到万向架平衡式外壳200的沙漏204。沙漏204具有细长颈部，并容纳有例如位于沙漏204的顶部部分204a中的多个物体206和位于沙漏204的下半部204b中的传感器208。微球(也叫做“玻璃泡”)有不同等级，通常其直径从35微米到80微米，并具有低的密度，例如对于35微米直径等级来说密度为0.22g/cc。传感器208包括具有独立传感器208b的传感器阵列208a，每个传感器208b在矩阵中限定一像素(pixel )。物体206穿过沙漏204的颈部204c，下落或掉落到传感器阵列208a的传感器208b上。传感器208记录物体206的碰撞位置(即，物体206掉落在独立传感器上的位置)，并将所记录的位置发送给控制单元230。控制单元可位于结构200外部。在一个方面，控制器可以包括诸如微处理器的处理器232、诸如记忆装置的数据存储装置234和可由处理器232执行的程序指令236。在一个方面，传感器阵列208可以是大体上水平定向的平面阵列，即，基本上垂直于铅垂线。可以为阵列208a提供小的倾斜，以允许掉落的物体206移动到选定位置209。传感器阵列相对于精确水平方向的小的倾斜允许微球在碰撞后滚离传感器阵列。在一个示例性实施例中，传感器阵列208可以包括呈阵列或像素形式布置的独立电荷耦合装置(CXD)，每个像素相对于铅垂线具有规定的位置。在许多方面，物体206 (诸如玻璃微球)通常涂覆有荧光材料212，当暴露于紫外(UV)光时，荧光材料212发光。UV光源214可设置用来照射涂覆有荧光材料的物体，优选恰好在撞击CCD阵列之前进行照射，从而允许物体206在与传感器阵列碰撞时发光，以及使得传感器阵列208能够记录每个掉落物体在碰撞位置(像素)处的光信号。为了限定东方，物体掉落处的像素可以与预先确定的对应于铅垂线的CCD阵列的像素进行比较。CXD像素中心的紧密间距(例如4微米)意味着可检测50-100微米的小向东偏移量，这允许尤其是在物体在减缓其下落的浮力流体中下落的情况下对于很短(例如I英寸)掉落距离也有可测量的向东偏移量。
[0021]在另一个方面，沙漏的至少下半部204a包括具有选定密度的介质216。介质216的密度通常选定成小于物体206的密度。在各个实施例中，介质216为氙气。加压装置218可联接至沙漏，并且被致动以调节沙漏204内部的氙气216的压力和密度。加压装置218可以包括活塞220，该活塞在加压装置内平移以调节氙气216的密度。约470psi的氙气在室温下(25摄氏度)对应于0.22g/cc密度的35微米直径微球。在操作时，物体掉落在阵列208a上，掉落物体的位置由控制器230记录。正如后面更详细描述的，物体206将掉落到铅垂线底部在阵列208a上的位置的东方。控制器230利用物体206掉落位置来确定相对于铅垂线底部的线，该线的方向是向东方向。应当指出的是，为了确定向东方向，只需单个物体的掉落位置。但是，更有用的是，使多于一个物体掉落来提高向东方向的精度。在另一个方面，可改变介质216的压力，以使得两个或更多个掉落物体的飞行时间(flight time)是不同的。氙气的密度越接近微球的密度(但不超过微球密度)，则微球移动或下落得越慢，将更向东下落。所以，知道氙气压力与物体落入像素的关系，人们就可以画出指向东方的线，而不必参考铅垂线像素。气体在微球上的粘性拖曳将进一步减缓其下落，增大其向东偏移量。因而，下落物体可能掉落的距离不同于它们基于其飞行时间的相对于铅垂线的向东偏移量。相比于较快下落的物体，较慢的物体将相对于铅垂线底部更向东下落。这样，控制器可以确定两个或更多个掉落物体的位置之间的线，该线限定了向东方向。
[0022]在一个方面，控制单元230可构造成从传感器阵列208接收信号，并根据程序指令处理这些信号，用于根据这些信号确定向东的罗盘方向。控制单元230可进一步联接至图1的钻井组件的转向单元，以在利用在此所述所确定的罗盘方向时使钻井组件120转向。控制单元230和/或控制单元140 (图1)可构造成控制钻井组件190 (图1)中的转向装置160。
[0023]图3示出了利用本发明的示例性方法确定罗盘方向的基本原理。第一位置301限定在第二位置303上方。第二位置可限定为对应于从第一位置到第二位置的铅垂线，铅垂线在第二位置与水平平面310相交。物体308从第一位置301朝向第二位置303掉落。人们通过在惯性参照坐标系(相对于恒星不加速转动的坐标系)中应用角动量守恒可解释该向东偏移。可替代地，人们也可以用科里奥利效应(Coriolis effect)来阐明该问题。当人们选定转动坐标系(例如将地球用作其参照坐标系)而不是使用惯性参照坐标系时，则发生科里奥利效应。在某种意义上，科里奥利力是“假想的”力，它的虚构允许人们在非惯性转动参照坐标系中应用牛顿运动定律(意味着其仅仅在惯性参照坐标系中使用)。不管人们怎样阐明该问题，在下落过程中，下落的物体308基本上向东偏移而在与第二位置303分隔开的第三位置305处碰撞水平面310。也就是说，下落物体的偏移方向基本上向东，以使得第三位置305大体上位于第二位置303的正东。所以，确定第二位置和第三位置可用来确定向东方向，从而将装置定向在任一期望方向。
[0024]对于从第一位置掉落的物体，物体的向东偏移量由已知的等式(I)给出:
[0025]
【权利要求】
1.一种用于确定罗盘方向的方法，包括: 允许至少一个物体在重力作用下移动； 确定所述至少一个物体在其移动期间的位置；以及 根据所述至少一个物体在其移动期间的位置以及根据另一个位置来确定罗盘方向。
2.如权利要求1所述的方法，其中，允许所述至少一个物体移动包括:使物体在流体中掉落，所述流体的密度小于所述至少一个物体的密度。
3.如权利要求1所述的方法，还包括:允许所述至少一个物体抵抗选定压力移动。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述另一个位置对应于铅垂线的位置和另一个物体飞行时掉落的位置中的一个位置，所述另一个物体的飞行不同于所述至少一个物体的飞行。
5.如权利要求1所述的方法，其中，确定罗盘方向包括:比较所述至少一个物体在重力下移动的位置。
6.如权利要求1所述的方法，还包括:在一装置上接收所述至少一个物体，所述装置构造成提供对应于所述至少一个物体被接收在所述装置上的位置相对于沿着铅垂线的位置的信号。
7.如权利要求6所述的方法，还包括:通过由一处理器来处理由所述装置提供的信号而确定罗盘方向。
8.如权利要求6所述的方法，其中，所述装置包括电荷耦合装置阵列，所述电荷耦合装置阵列提供对应于所述至少一个物体掉落在所述电荷耦合装置阵列上的位置的信号。
9.如权利要求7所述的方法，还包括: 用选定材料涂覆所述至少一个物体，所述选定材料使所述至少一个物体在暴露于紫外光时发光；和 当所述至少一个物体移动时，使所述至少一个物体暴露于紫外光中。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个物体是玻璃微球。
11.一种在井眼中执行作业的方法，所述方法包括: 将工具输送至井眼中；以及 通过如下方式来确定工具在井眼中的罗盘方向:使物体在重力作用下掉落；确定物体掉落的位置；和 根据物体掉落的位置来确定罗盘方向。
12.如权利要求11所述的方法，还包括:利用所确定的罗盘方向，由所述工具在井眼中执行选定的作业。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述选定的作业是使工具在井眼中转向。
14.一种在井眼中使用的设备，所述设备包括: 源，所述源构造成使物体在重力作用下掉落；和 装置，所述装置构造成接收掉落的物体，并且提供对应于物体掉落在所述装置上的位置的信号。
15.如权利要求14所述的设备，其中，所述物体沿着铅垂线掉落。
16.如权利要求14所述的设备，所述设备还包括处理器，所述处理器构造成根据由所述装置提供的信号来确定向东方向。
17.如权利要求14所述的设备，其中，所述装置包括传感元件的阵列，所述传感元件构造成提供对应于所述物体掉落在所述传感元件上的信号。
18.如权利要求17所述的设备，其中，所述传感元件是电荷耦合装置，每个这样的电荷耦合装置代表一像素。
19.如权利要求14所述的设备，其中，所述物体是涂覆有荧光材料的玻璃微球。
20.如权利要求14所述的设备，还包括紫外光，所述紫外光构造成照射所述物体。
21.如权利要求14所述的设备，还包括压力产生装置，所述压力产生装置构造成减小掉落物体的速度。
22.如权利要求14所述的设备，还包括掉落物体周围的介质，所述介质的密度小于物体的密度。
23.如权利要求15所述的设备，还包括保持机构，所述保持机构构造成保持所述装置的轴线竖直。
24.一种用于确定罗盘方向的设备，所述设备包括: 包含物体的源，所述源构造成使物体从第一位置朝着第二位置掉落；和 一装置，所述装置构造成在第二位置接收从所述源掉落的物体，并且提供对应于所述物体掉落在所述装置上的位置的信号。
25.—种用于确定罗盘方向的方法,所述方法包括: 使第一物体在重力作用下以第一飞行时间从第一位置朝着第二位置掉落； 使第二物体在重力作用下以第二飞行时间从第一位置朝第二位置掉落，第二飞行时间不同于第一飞行时间；以及 根据第一个物体掉落的位置和第二物体掉落的位置来确定罗盘方向。
【文档编号】E21B47/022GK103842613SQ201280048095
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年10月4日 优先权日:2011年10月14日
【发明者】R·迪弗吉奥 申请人:贝克休斯公司